第1章 科学和太阳系面面观
1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林(Yuri Gagarin)从今天的哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场(Baikonur Cosmodrome)起飞,开始了人类的首次太空之旅。他乘坐的飞船在“东方”(Vostok-K)火箭的推动下向东飞行,飞行高度大约325千米。飞船[1]差不多绕行地球一圈后,到达非洲上空,此时制动火箭点火,返回舱开始减速并降落。在距地面7千米的时候,舱门打开,他被弹射出去,打开降落伞,最后降落在偏离预计着陆点大约2 800[2]千米的地方。就在那里,他打了一个电话,叫人来接他。[3]
从那以后,人类的太空飞行断断续续地发展起来。20世纪60年代和70年代,人们见证了苏联与美国之间的太空竞赛,而人类登月使这场竞赛进入了白热化阶段。苏联的“礼炮”(Salyut)系列空间站、苏俄的“和平号”(Mir)空间站、美国的“天空实验室”(Skylab)空间站和中国的“天宫一号”等环地空间站你方唱罢我登场。现如今,国际空间站和中国的“天宫二号”各自雄踞一方。国际空间站不仅使各个国家、公司和机构有机会向太空输送宇航员和科学家,同时也为实力雄厚的太空旅行发烧友提供了落脚点。截至目前,进入太空的人数在500~1 000之间(这个数字无法更精确,因为有些秘密的军事任务无从统计)。大量商业太空项目正在建设之中,这预示着在不远的将来会有更多人踏上太空之旅。
从历史上看,业余太空旅行的价格一直以千万美元为单位,但从事太空旅行各类分支业务的新生代公司有望降低这个价格。目前正在开发的一个短程太空游项目,一个座位只要几十万美元。这意味着将有几百万人有机会进入太空。
想从太空旅行中获得极致体验,你必须了解一路上可能遇到的科学和医学问题。《太空旅行指南》会阐述各种太空经历,所以会包含不少科学知识。本书的目标之一就是让这些知识能够为你所用。科学家给日常用语赋予了很多技术含义,这给业余人士阅读科学读物造成很大的困难。因此,本书会在必要时解释这些词语的科学含义。
让我们看看对科学词语进行不同解读的两个例子。如你所知,微小的电子围绕着体积较大的原子核运动。读到这里,大多数人会把电子和原子核想象成微缩版的行星和太阳。20世纪早期甚至出现过以原子生物为主人公的小说,比如1922年出版的《金色原子中的女孩》(Girl in the Golden Atom),作者是雷·卡明斯[4]。然而事实上,原子内部的各种粒子——质子、中子和电子——根本不是实心粒子,而是同时具有波和粒子的双重属性。撇开其他不谈,这首先意味着,我们不能把电子想象成围绕恒星运动的行星。波的性质使电子在运动时向四周发散,这不同于点状物体的运动方式。虽然电子运动的“视觉化”因此变得复杂,但波粒二象性的设定反而方便科学家深入地解释电子的行为。
本章的第一句话也可以很好地证明理解科学词语的重要性。本章开头我写了“……开始了人类的首次太空之旅”,这里我没有给出“太空”的定义。我们大多数人从直觉上会把“太空”理解成地球大气层以外的区域。但是大气层与游泳池不同,它没有明确的边界。如果你从高空降落进入大气层,你会发现空气变得越来越稠密,但看不出哪里算是边界。
相比之下,你往游泳池里跳的时候,入水的那一刻,水面的边界非常明确。大气层没有一个固定不变的顶盖,所以光是大气层还不够拿来给“太空”下定义,我们需要换一个角度。
地球大气层之所以没有一个明确的边界,是由于气体的性质。液体是原子和分子的弱束缚组合,而气体的原子和分子是无法被束缚在一起的。除非以外力强行拉近,否则这些粒子会彼此渐行渐远。例如,气球把气体原子和分子聚在一起,而一旦被刺破,里面的粒子就会四散开来。
让我们做个粗略的比喻:就像气球把气体聚集起来那样,地球重力把空气聚拢在地球四周,阻止它们逃逸到太空中去。即便如此,大气层最外层的气体受太阳辐射,还是会挣脱地球重力,向星际空间逃逸。之所以如此,是因为粒子受热越多,其运动速度就会越快,待速度足够快时便会摆脱地球重力。因此,地球大气层不断有气体逃逸到月球,甚至更远的地方,不再回来。让问题变得更复杂的是,整个大气层在受热时会向外膨胀,遇冷时会向内收缩,所以大气层的高度会随天气状况、太阳辐射和昼夜更替而不停地变化。
多数太空爱好者把“太空”定义为卡门线(Karman line)以外的空间。这个定义源自匈牙利裔美国科学家西奥多·冯·卡门(Theodore von Karman,1881—1963)的一个推论。卡门曾提出一个问题:为了使飞机的机翼产生足够的升力以保持飞行高度,我们需要多大的空气密度?
毕竟,飞得越高,空气密度就越小,空气所能产生的升力也越小(不论飞行速度)。他发现,在距离地球表面100千米左右的高度,空气已经变得非常稀薄,以至于飞机必须飞得足够快,进入绕地轨道,才能维持飞行高度。换句话说,在绕地轨道的高度上,飞机的速度会非常快,即使关闭发动机依然可以环绕地球飞行。这个高度就是现在所说的卡门线。
在无动力飞行的时候,航天器需要依靠自身的运行速度来避免坠向地球。例如,国际空间站不断被地球重力向下拉,但由于它在平行于地表的方向上具有足够快的速度,所以不会一落到底。出于各种政治和技术原因,各个机构和国家对“太空”起始高度的界定并不一致,但就本书而言,太空始于卡门线。
在确定了太空的起始高度之后,让我们再来想想太空旅行者在不远的将来能够访问的目的地。思考这个问题时,我们需要一点宇宙视角。
我们生活在太阳系,包括太阳和围绕太阳转动的所有天体。按照国际天文学联合会(International Astronomical Union)2006年的定义,这些天体分为四类:行星、卫星、矮行星和太阳系小天体。
国际天文学联合会的天文学家认为,太阳系行星[5]必须满足两个条件。第一,太阳系行星必须具有足够大的质量,从而让自己基本上保持球形。事实上,地球表面有山脉和峡谷,并不是一个完美光滑的圆球。此外,自转也使地球的赤道直径大于两极之间的直线距离,超出大约[6] 42.8千米。这些微小的偏离并不影响我们对行星的界定。第二,太阳系行星的质量必须大到足以产生巨大的引力,将临近的太空碎片拉过来或者远远地抛出去[7]。换句话说,太阳系行星必须能够清除其轨道上的太空碎片,但行星的卫星,也就是受引力束缚围绕行星运行的小天体不在此列。
我们的太阳系目前拥有八颗行星,从太阳开始向外依次是水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)和海王星(Neptune)。水星和金星没有卫星,而其他六颗行星加起来拥有173颗卫星。2015年,天文学家发现海王星轨道以外很远处,有些天体的运动路径受到某个未知天体的引力影响。经过计算,这是一个行星大小的天体,所以如果它被学者发现,我们将把它列为太阳系的第九颗行星。
所有太阳系行星基本上都在被称作黄道面的地球公转轨道面上围绕太阳运动,运动方向也与地球一致。[8]
在新的行星标准下,冥王星(Pluto)丧失了行星地位,因为它的质量远远小于其他太阳系行星。质量确实很关键。任何物体的质量都是其所含物质多少的量度,或者换个说法,是物体所含各种元素的粒子数量的度量。
冥王星的体积和质量足以让它保持球形,但它的质量不足以让它清除临近的小块太空碎片,所以最终被划为矮行星。太阳系有5个天体被归为矮行星:冥王星、谷神星(Ceres)、妊神星(Haumea)、鸟神星[9](Makemake)和阋神星(Eris)。冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星已知拥有卫星。天文学家正在评估太阳系其他一些天体,看它们是否符合矮行星的标准。
太阳系小天体是围绕太阳运行的最后一类天体,基本上是以岩石和冰或者岩石和金属为主要成分的太空碎片。与行星和矮行星不同,这些成分是通过化学键而非天体自身的万有引力结合在一起的。
矮行星和太阳系小天体是过去被归为小行星、流星体和彗星的天体集合。小行星和流星体包括太阳系里所有主要成分为岩石和金属的太空碎片,体积较大的称为小行星,但两者之间并没有明确的界限。根据常见的定义,流星体是直径小于1米的天体。已知几个小行星拥有卫星,但有点复杂的是,小行星的卫星也是小行星。对于围绕彼此转动的两颗小行星,体积较小的被视为对方的卫星。
本书评论